JP6802133B2 - リザーブタンク - Google Patents

Description

本開示は、リザーブタンクに係り、特に冷媒の循環経路に設けられるリザーブタンクに関する。

車両に搭載されるエンジン等を冷却する冷媒の循環経路に完全密閉型のリザーブタンクが設けられる。リザーブタンクには、冷媒の圧力調整や冷媒量の調整等のために、冷媒と共に空気の存在が必要になるが、リザーブタンクを冷媒が流れる際に冷媒に空気が巻き込まれ気泡が混入すると、エンジン等における冷却効率が低下する。

特許文献１には、気泡混入防止のために互いに分離壁で仕切られた複数の冷媒室を経由して冷媒を流通させるリザーブタンクが述べられている。ここで、分離壁に１つ設けられた連通口からタンク底部の流出口に向けて冷媒が流れると、流出口の上方側に渦流が生じ気泡が混入しやすいことを指摘する。そこで、流出口に向けて冷媒室を対称的に配置し、流出口の真上で２つの冷媒流を衝突させて流速を落とし、渦流の発生を抑制することが開示されている。

特許文献２には、リザーブタンクを複数の冷媒室に分離し、分離壁の底面側に冷媒の連通口、上方側に空気の連通口を設け、各冷媒室において、冷媒の液面の上方側に空気が存在している状態で液面が低下すると、流れる冷媒に空気が巻き込まれやすいことを指摘する。そこで、空気のみが貯留される空気室を設け、冷媒室の空気の量を減らし、冷媒室の液面を上げることが開示されている。

特許文献３には、流入口側から流出口側に向かって底面が下がって行くリザーブタンクが開示されている。このリザーブタンクにおいて流入口から流出口に向かって複数の冷媒室を設け、分離壁に同じ開口面積の連通口を設けると、分離壁の全面積に対する連通口の占める割合である開口面積比が流出口側で小さくなって流路抵抗が大きくなり、流速が次第に低速になる。さらに各連通口の位置が一直線とならないようにして、連通口を通った冷媒が分離壁に衝突させることで、液面の上方側の空気層へ向けて冷媒流を立ち上げることで、気泡を空気層に逃がすことができると述べている。

特許文献４では、流入口が液面より上方側に設けられるリザーブタンクでは、流入口から液面に向かって流れ落ちる冷媒に気泡が巻き込まれることを指摘する。そこで、流入口の真下に底面から突き出るバッフルを設け、気泡を液面の上方側に逃がし、気泡が無くなった冷媒のみが流出口に向かう構成が開示されている。

特開２０１４−１１８８８４号公報 特開２０１３−２４９７９１号公報 特開２０１７−１０１５７３号公報 特開平５−２０９５２２号公報

リザーブタンクにおいて、冷媒に気泡が混入することを防止する方法の１つは、液面を高くすることであるが、リザーブタンクが大型化することとなり、車載スペースの確保が難しい。別の方法として、分離壁を介して分離された複数の冷媒室に冷媒を流して流速を落とすこと、あるいは、２つの冷媒流れを衝突させて流速を落とすことがある。ここで、衝突させる２つの冷媒流れの速度が共に高速であると、衝突時に上方側へ立ち上がる冷媒量が大きくなり、空気を巻き込む恐れが大きくなる。そこで、冷媒室を流れる冷媒に空気が巻き込まれることを効果的に抑制可能で、しかも大型化を伴わないリザーブタンクが要望される。

本開示に係るリザーブタンクは、冷媒が外部から流入する流入冷媒室と、冷媒が外部へ流出する流出冷媒室と、流入冷媒室側から冷媒が流れ込む中間冷媒室と、を少なくとも有し、流入冷媒室と流出冷媒室と中間冷媒室とは分離壁によって互いに仕切られており、流入冷媒室と流出冷媒室とを仕切る分離壁に設けられた第１連通口と、中間冷媒室と流出冷媒室とを仕切る分離壁に設けられた第２連通口と、流出冷媒室において、第１連通口に向い合って突き出し、第１連通口から流れて来る冷媒の一部を第２連通口側に向けるリブ壁と、を備える。

上記構成によれば、流出冷媒室には、第１連通口と第２連通口の２方向から冷媒が流れて来るが、第１連通口から流れて来る冷媒はリブ壁に衝突し、リブ壁の両側に分割されて流れるので、流速が落ちる。リブ壁の両側に流れて流速が落ちた冷媒の一部は第２連通口側に向かい、そこで第２連通口から流れて来る冷媒と衝突し、さらに流速が落ちる。この衝突において、流速が落ちた第１連通口からの冷媒の流れの一部と、第２連通口からの冷媒の流れとは、流速が異なるが共に低速であるので、衝突によって液面側へ向かう速度成分が小さく、液面の上方側の空気を巻き込む恐れが抑制される。

上記構成のリザーブタンクによれば、冷媒室を流れる冷媒に空気が巻き込まれることを効果的に抑制できる。

実施の形態のリザーブタンクの斜視図である。 図１の下側本体部の上面図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 実施の形態のリザーブタンクにおける冷媒の流れを示す模式図である。 実施の形態のリザーブタンク内部を流れる冷媒について、図３のＶ−Ｖ線で示す高さ位置における流速分布を示す図である。 図５よりも上方側で、図３のＶＩ−ＶＩ線で示す高さ位置における流速分布を示す図である。 図６よりもさらに上方側で、図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線で示す高さ位置における流速分布を示す図である。 比較例として、第１連通口及びリブ壁を備えないリザーブタンクの内部を流れる冷媒の流速分布の例を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下において、車両搭載用でエンジンを冷却する冷媒のためのリザーブタンクを述べるが、これは説明のための例示であって、冷媒の循環経路に設けられるリザーブタンクであれば用途は問わない。例えば、車両がハイブリッド車両であってインバータ回路等のパワーコントロールユニットを有し、このパワーコントロールユニットを冷却する冷媒のためのリザーブタンクであってもよい。以下では、冷媒は、ロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる不凍液を述べるが、これは説明のための例示であって、これ以外の冷却水等であってもよい。

以下では、流入冷媒室側から冷媒が流れ込み、流出冷媒室に冷媒が流れる中間冷媒室を１つとして、リザーブタンクは３つの冷媒室に分離されるものとするが、これは説明のための例示であって、中間冷媒室の数を複数としてもよい。

以下に述べる形状、寸法、冷媒量等は、説明のための例示であって、リザーブタンクの仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両搭載用のリザーブタンク１０の斜視図である。リザーブタンク１０は、車両のエンジンを冷却する冷媒の循環経路に設けられる。冷媒には、ロングライフクーラント（ＬＬＣ）が用いられ、エンジンとラジエータと冷媒循環ポンプを含む冷媒の循環経路の途中に設けられる。リザーブタンク１０は、循環経路を流れる冷媒の圧力調整や、冷媒量調整のために、所定量の冷媒を一時的に貯留するタンクである。貯留可能な冷媒量は、エンジンの仕様等によって定められるが、数１００ｃｍ^３から数Ｌ（リットル）の間である。一例を挙げると、満水量で、約６００ｃｍ^３程度である。これは説明のための例示であり、リザーブタンク１０の仕様によって異なる。

リザーブタンク１０は、上側本体部１２と下側本体部２０とが接合部１８で一体化された容器である。上側本体部１２には、冷媒の流入部１４と、最上部に冷媒の注入口１６とが設けられる。下側本体部２０には、冷媒の流出部３０が設けられる。流入部１４と流出部３０とは、一方端が図示しない冷媒の循環経路に接続され、他方端がリザーブタンク１０の内壁面の開口部に接続されるパイプである。取付部２２は、下側本体部２０において、流出部３０と反対側の外壁にリザーブタンク１０を車両に取り付ける場合の基準面となる搭載面を有する張出部である。リザーブタンク１０は、接合部１８で一体化された状態において、流入部１４と流出部３０と、場合によって注入口１６に設けられる空気穴とを除いて、液密の密閉容器である。

図１に、直交する３方向として、Ｘ方向とＹ方向とＺ方向を示す。Ｘ方向は、後述する分離壁２４に平行な方向であり、Ｙ方向は、後述する分離壁２６に平行な方向であり、Ｚ方向は上下方向で、リザーブタンク１０の内部空間に貯留される冷媒の液面に垂直な方向である。Ｚ方向は、下側本体部２０から上側本体部１２に向かう方向が上方側の方向、反対方向が下方側の方向である。したがって、ＸＹ面が冷媒の液面に平行な面となり、Ｚ方向に沿って液面の高さを示すことができる。

冷媒は、リザーブタンク１０において、上側本体部１２の内側壁面と下側本体部２０の内側壁面とで囲まれた収容空間に収容される。リザーブタンク１０に平均的貯留量の冷媒が収容されるときの液面の高さ位置は、接合部１８よりも上方側で、流入部１４が設けられる高さ位置よりやや低い。これは説明のための例示であって、リザーブタンク１０に収容される冷媒量は、冷媒の循環経路の動作状態によって変動する。収容空間において液面の高さよりも上方側の部分は、空気が存在する空間である。この空気存在空間の多寡を利用して、冷媒の圧力調整や冷媒量調整を行うことができる。

冷媒は、冷媒の循環経路のラジエータ側から上側本体部１２の流入部１４を介して、リザーブタンク１０の収容空間に流入し、リザーブタンク１０の中を流れて、下側本体部２０の流出部３０からエンジン側に流出する。冷媒がリザーブタンク１０の収容空間を流れる際に、液面の上方側の空気を巻き込むことが生じ得る。冷媒に空気が巻き込まれると、冷媒の冷却能力が低下するので、流出部３０の他方端である下側本体部２０の内壁面における開口部３１（図２、図３参照）の近傍の液面側では、空気を巻き込まないように、静かに冷媒が流れることが望ましい。流出部３０は、下側本体部２０に設けられるので、以下では、下側本体部２０の構造と、冷媒の流れ方について説明する。

図２は、下側本体部２０の上面図であり、図３は、図２のIII−III線に沿った断面図である。リザーブタンク１０の内部の収容空間は、３つの分離壁２４，２６，２８によって、流入冷媒室３２、流出冷媒室３４、中間冷媒室３６の３つの冷媒室に仕切られる。図２、図３は、下側本体部２０の部分であるが、３つの分離壁２４，２６，２８は、図２、図３の下側本体部２０のみならず、上側本体部１２にも同様に設けられ、接合部１８において一体的に接続される。

流入冷媒室３２は、上側本体部１２側に設けられる流入部１４から冷媒が流入する冷媒収容空間である。流出冷媒室３４は、下側本体部２０の底面側の斜面に流出部３０が設けられる冷媒収容空間である。中間冷媒室３６は、流入冷媒室３２側から流れて来る冷媒を受け入れ、流出冷媒室３４側に流す中間に設けられる冷媒収容空間である。リザーブタンク１０において、通常状態の液面は、接合部１８よりも上方側の上側本体部１２の側にあるので、下側本体部２０の流入冷媒室３２、流出冷媒室３４、中間冷媒室３６は、冷媒で満たされている。

分離壁２４は、流入冷媒室３２と流出冷媒室３４とを仕切る壁部で、第１連通口４２が設けられる。流入冷媒室３２に流入した冷媒の一部は、第１連通口４２を通って、中間冷媒室３６を経由せずに直接的に流出冷媒室３４に流れる。

分離壁２６は、中間冷媒室３６と流出冷媒室３４とを仕切る壁部で、第２連通口４４が設けられる。第２連通口４４は、流入冷媒室３２に流入した冷媒が中間冷媒室３６を経由して流出冷媒室３４に流れる際に通る開口部である。

分離壁２８は、流入冷媒室３２と中間冷媒室３６とを仕切る壁部で、中間連通口４６が設けられる。中間連通口４６は、流入冷媒室３２に流入した冷媒であって、第１連通口４２へ流れ込まなかった冷媒が中間冷媒室３６に流れ込む開口部である。

以下に、第１連通口４２、第２連通口４４、中間連通口４６の大きさ、配置位置について、図２、図３を用いて説明する。以下の各連通口の大きさ、配置位置は、説明のための例示であって、リザーブタンク１０の仕様によって適宜変更が可能である。

分離壁２４に設けられる第１連通口４２、分離壁２６に設けられる第２連通口４４、分離壁２８に設けられる中間連通口４６は、それぞれの分離壁において、Ｚ方向に沿った開口寸法がＸ方向またはＹ方向に沿った開口寸法よりも大きい長円形開口である。そこで、長円形開口の差し渡しの長い方を開口長径と呼び、差し渡しの短い方を開口短径と呼ぶ。長円形開口に代えて、円形開口であってもよい。

第１連通口４２は、流出部３０の他方端である開口部３１の位置よりも上方側の斜面内壁に開口長径の下端があり、下側本体部２０の収容空間のＺ方向に沿った高さＨ_２０のほぼ１／２の高さ位置に開口長径の上端がある。開口短径は、分離壁２４のＸ方向に沿った壁幅のほぼ中央位置に設けられ、開口短径の長さは、分離壁２４の壁幅の約１／３である。

第２連通口４４は、下側本体部２０のほぼ底面の位置に開口長径の下端があり、高さＨ_２０のほぼ３／４の高さ位置に開口長径の上端がある。開口短径は、分離壁２６のＹ方向に沿った壁幅のほぼ中央位置に設けられ、開口短径の長さは、分離壁２６の壁幅の約１／２である。第２連通口４４は、３つの連通口の間で最も大きな開口面積を有する。

中間連通口４６は、下側本体部２０のほぼ底面の位置に開口長径の下端があり、高さＨ_２０のほぼ１／２の高さ位置に開口長径の上端がある。中間連通口４６の開口長径の上端は、第１連通口４２の開口長径の上端よりもやや下方側に位置する。開口短径は、分離壁２８のＹ方向に沿った壁幅の中央位置から分離壁２４側寄りに設けられ、開口短径の長さは、分離壁２８の壁幅の約１／３である。

斜面仕切部３８は、中間冷媒室３６に設けられ、分離壁２４の延長線上に延びて、そのＸ方向に沿った寸法は、中間冷媒室３６の底面側で長く、接合部１８側でゼロになる三角形の仕切板である。斜面仕切部３８は、中間冷媒室３６において、冷媒の流れを案内する機能を有する。即ち、中間連通口４６から流れ込んだ冷媒は、斜面仕切部３８に沿ってＸ方向に流れ、中間冷媒室３６の内壁面に当たって方向を変換しながら、再び斜面仕切部３８に沿い、第２連通口４４に向かって蛇行的に流れる。蛇行的に流れることによって、冷媒の流速が低下する。これによって、第２連通口４４から流出冷媒室３４に流れ込む冷媒の流速は、第１連通口４２を介して流入冷媒室３２から直接的に流出冷媒室３４に流れ込む冷媒の流速よりも低速となる。

流出冷媒室３４に設けられるリブ壁４０は、第１連通口４２に向い合って突き出す縦壁部である。図３に示すように、リブ壁４０は、Ｘ方向における配置位置が、第１連通口４２のほぼ中央に向き合う位置に設定され、高さ方向では、下側本体部２０の斜面における開口部３１よりは上方側となる底面から、接合部１８のすぐ真下の位置まで延びる縦壁である。リブ壁４０のＸ方向に沿った厚さは、第１連通口４２のＸ方向に沿った開口幅よりも十分に小さく設定される。リブ壁４０のＹ方向に沿った突出量は、流出部３０の他方側である開口部３１までは突き出さず、第２連通口４４の開口短径と一部重なる程度に突出する。したがって、流入冷媒室３２から第１連通口４２を通って流れ込む冷媒は、リブ壁４０に衝突し、リブ壁４０の両側に分割されて流れる。第２連通口４４側に向けられた冷媒は、第２連通口４４から流れて来る低速の冷媒と衝突する。衝突する位置は、流出部３０の他方端である開口部３１のほぼ真上となる。

図４は、リザーブタンク１０の下側本体部２０における冷媒の流れを示す模式図である。流入部１４から流入冷媒室３２に流れ込む冷媒５０は、第１連通口４２に向かう冷媒５１と、中間連通口４６に向かう冷媒５２とに分かれる。中間連通口４６を通った冷媒５２は、中間冷媒室３６において、斜面仕切部３８に案内され、中間冷媒室３６の内壁に沿って蛇行する冷媒５３となり、低速となって第２連通口４４を通って流出冷媒室３４に流れる冷媒５４となる。一方、第１連通口４２を通った冷媒５１は、リブ壁４０に衝突し、リブ壁４０の両側に流れる冷媒５５，５６に分割される。このときに、流速が低下する。第２連通口４４側に向けられた冷媒５６は、前述の冷媒５４と衝突し、さらに流速が低下する。衝突領域６０は、流出冷媒室３４における流出部３０の他方端である開口部３１のほぼ真上である。

衝突領域６０においては、リブ壁４０によって分割されて低速となった冷媒５６の流れと、中間冷媒室３６を蛇行して低速になった冷媒５４の流れとが衝突するが、いずれも冷媒５０，５１，５２の流速に比較して低速になっている。したがって、２つの流れの衝突によって生じる上方側へ向かって立ち上がる冷媒の速度成分も低速となるので、液面側に冷媒が立ち上がり液面の上方側の空気を巻き込む恐れが抑制される。

図５から図７は、下側本体部２０における冷媒の流れ分布をシミュレーションした結果を示す図である。シミュレーションは、流出部３０における流出速度を所定速度に設定し、Ｚ方向の高さ位置を変えて、その高さ位置における冷媒の流れを求めた。各図において、細い線の流線は、冷媒の流れ方向を示す。流速は、斜め斜線の密度で示し、二重斜め線を付した部分が最も流速が速い領域で、斜め斜線が１本の部分が中間程度の流速の領域で、斜め斜線を付さず流線のみが示される部分が最も低速の領域である。

図５は、図３のＶ−Ｖ線の高さ位置における冷媒の流れ分布を示す図である。Ｖ−Ｖ線の高さ位置は、流出部３０の他方端である開口部３１の上端近くの高さ位置で、第１連通口４２、第２連通口４４、中間連通口４６のいずれも含む高さ位置である。このときの冷媒の流れ分布は、流入冷媒室３２に流入した高速の冷媒が、第１連通口４２を経て流出冷媒室３４へ流れ込むと共に、中間連通口４６を経て中間冷媒室３６に流れ込むことが示される。中間冷媒室３６に流れ込んだ冷媒の速度は中間冷媒室３６の内部を蛇行するうちに低速になり、流入冷媒室３２から流れてきた高速の冷媒と、第２連通口４４付近で衝突し、流速が低下する。

図６は、図３のＶＩ−ＶＩ線の高さ位置における冷媒の流れ分布を示す図である。ＶＩ−ＶＩ線の高さ位置は、Ｖ−Ｖ線よりも上方側の位置で、第１連通口４２と第２連通口４４のそれぞれのほぼ中央部を通る高さ位置で、中間連通口４６の上端付近である。このときの冷媒の流れ分布は、流入冷媒室３２から第１連通口４２を通って流出冷媒室３４に流れ込んだ高速の冷媒が、リブ壁４０に衝突し、リブ壁４０の両側に流れる冷媒に分割されることが示される。このとき、中間冷媒室３６を蛇行して流れ低速となった冷媒は、第２連通口４４を通って流出冷媒室３４に流れ込み、リブ壁４０によって第２連通口４４側に向けられた冷媒と衝突し、流速が低下する。衝突領域６０は、リブ壁４０と第２連通口４４のほぼ中間で、図３を参照すると、ほぼ、流出部３０の他方端である開口部３１の真上の領域である。

図７は、図３のＶＩＩ−ＶＩＩの高さ位置における冷媒の流れ分布を示す図である。ＶＩＩ−ＶＩＩ線の高さ位置は、ＶＩ−ＶＩ線よりもさらに上方側で、第１連通口４２の上端、中間連通口４６の上端よりも上方側の位置で、第２連通口４４のみを通る高さ位置である。このときの冷媒の流れ分布は、中間冷媒室３６及び流出冷媒室３４において低速であり、特に、流出冷媒室３４においては、流速もほぼ平均的となっている。図６、図７を参照すると、ＶＩ−ＶＩ線の高さ位置で異なる２方向からの冷媒が衝突しても、いずれも蛇行やリブ壁４０による流れの分割によって低速であるので、上方側に立ち上がる冷媒量が少なく、そのためＶＩＩ−ＶＩＩの高さ位置の速度を乱さないためであることが示唆される。

比較例として、第１連通口及びリブ壁を備えないリザーブタンクの内部を流れる冷媒の流速分布の例を図８に示す。ここでは、流入冷媒室３３、流出冷媒室３５、中間冷媒室３７の大きさをほぼ同じとした。図８に示されるように、単に３つの冷媒室を通すだけでは、流出冷媒室３５における冷媒の流れには渦が生じており、これによって、液面からの空気を冷媒中に巻き込む恐れがあることが分かる。

これに対し、図２、図３の構成によれば、流出冷媒室３４には、第１連通口４２と第２連通口４４の２方向から冷媒が流れて来るが、第１連通口４２から流れて来る冷媒はリブ壁４０に衝突し、リブ壁４０の両側に分割されて流れるので、流速が落ちる。リブ壁４０の両側に流れて流速が落ちた冷媒の一部は第２連通口４４側に向かい、そこで第２連通口４４から流れて来る冷媒と衝突し、さらに流速が落ちる。この衝突において、流速が落ちた第１連通口４２からの冷媒の流れの一部と、第２連通口４４からの冷媒の流れとは、流速が異なるが共に低速であるので、衝突によって液面側へ向かう速度成分が小さく、液面の上方側の空気を巻き込む恐れが抑制される。

１０ リザーブタンク、１２ 上側本体部、１４ 流入部、１６ 注入口、１８ 接合部、２０ 下側本体部、２２ 取付部、２４，２６，２８ 分離壁、３０ 流出部、３１ 開口部、３２，３３ 流入冷媒室、３４，３５ 流出冷媒室、３６，３７ 中間冷媒室、３８ 斜面仕切部、４０ リブ壁、４２ 第１連通口、４４ 第２連通口、４６ 中間連通口、５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６ 冷媒、６０ 衝突領域。

Claims (1)

1. 冷媒が外部から流入する流入冷媒室と、冷媒が外部へ流出する流出冷媒室と、前記流入冷媒室側から冷媒が流れ込む中間冷媒室と、を少なくとも有し、
   前記流入冷媒室と前記流出冷媒室と前記中間冷媒室とは分離壁によって互いに仕切られており、
   前記流入冷媒室と前記流出冷媒室とを仕切る分離壁に設けられた第１連通口と、
   前記中間冷媒室と前記流出冷媒室とを仕切る分離壁に設けられた第２連通口と、
   前記流出冷媒室において、前記第１連通口に向い合って突き出し、前記第１連通口から流れて来る冷媒の一部を前記第２連通口側に向けるリブ壁と、
   を備える、リザーブタンク。

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